Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật định vị thiết bị di động thế hệ thứ tư phục vụ an ninh

Luận án nghiên cứu giải pháp kỹ thuật định vị thiết bị di động thế hệ thứ tư, ứng dụng hiệu quả trong công tác an ninh và quản lý.

• Tác giả: Nguyễn Hồng Thủy
• Người hướng dẫn: PGS. Lê Nhật Thăng
• Trường học: Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
• Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
• Đề tài: Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật định vị thiết bị di động thế hệ thứ tư và ứng dụng cho công tác an ninh
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. Khái quát về công trình nghiên cứu
• 1.2. Những vấn đề đặt ra cần nghiên cứu
• 1.3. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của đề tài
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của Luận án
• 1.6. Bố cục Luận án
• 2. TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH VỊ DI ĐỘNG
• 2.1. Khái quát về định vị di động và các ứng dụng của định vị
• 2.2. Những giả thuyết, lý giải trước đây về định vị di động và ứng dụng cho công tác an ninh
• 2.3. Cơ sở lý thuyết liên quan
• 2.4. Nguyên lý kỹ thuật định vị di động. So sánh các công nghệ định vị di động
• 2.5. Các yêu cầu định vị di động của công tác an ninh
• 2.6. Tình hình nghiên cứu liên quan, những tồn tại và hướng giải quyết
• 2.6.1. Tình hình nghiên cứu liên quan
• 2.6.2. Những tồn tại, hạn chế và thách thức
• 2.6.3. Hướng giải quyết
• 2.7. Kết luận
• 3. GIẢI PHÁP KỸ THUẬT NÂNG CAO HIỆU QUẢ ĐỊNH VỊ THIẾT BỊ DI ĐỘNG
• 3.1. Xác định các yêu cầu cụ thể của bài toán định vị
• 3.1.1. Mô tả yêu cầu
• 3.1.2. Khái niệm mới về đối tượng của bài toán định vị
• 3.1.3. Bảng mô tả yêu cầu kỹ thuật cụ thể
• 3.2. Đề xuất giải pháp kỹ thuật tổng thể
• 3.2.1. Lựa chọn nguyên lý kỹ thuật định vị lõi
• 3.2.2. Giải pháp kỹ thuật kết hợp đa dạng nguồn dữ liệu để nâng cao hiệu quả định vị
• 3.2.3. Giải pháp kỹ thuật cải thiện độ chính xác định vị
• 3.2.4. Giải pháp kỹ thuật U-TDoA để nâng cao độ khả dụng và độ chính xác định vị
• 3.2.5. Nhận xét, đánh giá về giải pháp kỹ thuật được đề xuất
• 3.2.6. Hiệu quả của giải pháp
• 3.3. Kết luận
• 4. MÔ HÌNH HỆ THỐNG KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ THIẾT BỊ DI ĐỘNG VÀ ỨNG DỤNG CHO CÔNG TÁC AN NINH
• 4.1. Mô hình kiến trúc tổng thể hệ thống định vị thiết bị di động
• 4.2. Mô hình kiến trúc hệ thống
• 4.2.1. Mô tả kiến trúc hệ thống
• 4.2.2. Cấu trúc, chức năng hệ thống định vị thiết bị di động
• 4.2.3. Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống
• 4.2.4. Mô tả cấu trúc, chức năng hệ thống
• 4.3. Phân lớp, xác định đối tượng
• 4.3.1. Bài toán lý thuyết phân lớp
• 4.3.2. Phương pháp phân lớp, xác định đối tượng định vị
• 4.3.3. Lựa chọn kỹ thuật phân lớp xác định đối tượng định vị
• 4.4. Bảo mật chuyển giao kết quả định vị
• 4.4.1. Bảo mật chuyển giao kết quả định vị sử dụng bài toán chia sẻ mảnh bí mật qua ảnh
• 4.4.2. Bảo mật chuyển giao kết quả định vị sử dụng thuật toán giấu tin mật qua ảnh
• 4.4.3. Đánh giá độ an toàn thông tin được bảo mật
• 4.4.4. Đề xuất hệ thống kỹ thuật bảo mật chuyển giao kết quả định vị
• 4.5. Giải pháp kỹ thuật giả lập trạm gốc thu thập tham số IMSI/IMEI
• 4.5.1. Đề xuất giải pháp kỹ thuật
• 4.5.2. Sơ đồ cấu trúc trạm gốc giả lập
• 4.6. Kết luận
• 5. THU THẬP DỮ LIỆU CELL-ID TỪ NGUỒN MỞ
• 5.1. Phân tích các phương pháp thu thập dữ liệu Cell-ID
• 5.2. Thu thập dữ liệu Cell-ID từ nguồn mở OpenCellID
• 5.3. Thu thập từ dữ liệu Cell-ID từ nguồn của Google
• 5.4. Nhận xét, đánh giá chung về thu thập dữ liệu Cell-ID từ nguồn mở
• 5.5. Cải thiện độ chính xác định vị. Phương pháp
• 5.6. Thực hiện và kết quả
• 5.7. Nhận xét, đánh giá
• 5.8. Thực nghiệm giả lập trạm gốc thu thập tham số IMSI/IMEI. Kịch bản thực nghiệm
• 5.9. Các bước thực hiện và kết quả
• 5.10. Nhận xét, đánh giá
• 5.11. Thực nghiệm tìm hướng, định vị thiết bị di động bằng trạm gốc giả lập
• 5.12. Nguyên lý kỹ thuật và kịch bản thực nghiệm
• 5.13. Nhận xét, đánh giá
• 5.14. Phân tích, đánh giá tổng hợp giải pháp kỹ thuật, mô hình hệ thống và kết quả một số thực nghiệm
• 5.15. Kết luận
• 6. HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về định vị thiết bị di động 4G

Định vị thiết bị di động 4G là một công nghệ tiên tiến, cho phép xác định vị trí của thiết bị di động với độ chính xác cao. Giải pháp định vị này không chỉ phục vụ cho các dịch vụ thông thường mà còn đóng vai trò quan trọng trong an ninh. Công nghệ 4G mang lại tốc độ truyền tải dữ liệu nhanh hơn, giúp cải thiện khả năng định vị trong thời gian thực. Theo nghiên cứu, việc sử dụng công nghệ định vị hiện đại như GPS kết hợp với mạng 4G có thể nâng cao đáng kể hiệu quả trong việc theo dõi và quản lý thiết bị di động. Điều này đặc biệt quan trọng trong các tình huống khẩn cấp, nơi mà thông tin chính xác và kịp thời là rất cần thiết.

1.1. Tầm quan trọng của định vị trong an ninh

Định vị thiết bị di động có vai trò thiết yếu trong việc đảm bảo an ninh công cộng. Các cơ quan chức năng có thể sử dụng giải pháp an ninh này để theo dõi và quản lý các hoạt động đáng ngờ. Việc xác định vị trí chính xác của thiết bị di động giúp các lực lượng chức năng nhanh chóng phản ứng với các tình huống khẩn cấp. Hệ thống định vị không chỉ giúp trong việc cứu hộ mà còn hỗ trợ trong việc điều tra tội phạm. Theo một báo cáo, việc áp dụng công nghệ 4G trong định vị đã giúp giảm thiểu thời gian phản ứng của các lực lượng an ninh trong nhiều trường hợp khẩn cấp.

II. Các giải pháp kỹ thuật định vị

Các giải pháp định vị hiện nay bao gồm nhiều công nghệ khác nhau, từ GPS đến các phương pháp định vị dựa trên sóng di động. Công nghệ định vị GPS là một trong những phương pháp phổ biến nhất, nhưng không phải lúc nào cũng hiệu quả trong môi trường đô thị đông đúc. Do đó, việc kết hợp nhiều nguồn dữ liệu từ các thiết bị di động 4G là cần thiết để nâng cao độ chính xác. Các giải pháp như U-TDoA (Uplink Time Difference of Arrival) đã được chứng minh là hiệu quả trong việc cải thiện độ chính xác định vị. Việc sử dụng công nghệ thông tin để phân tích và xử lý dữ liệu định vị cũng là một yếu tố quan trọng trong việc phát triển các giải pháp định vị hiện đại.

2.1. Kết hợp đa dạng nguồn dữ liệu

Kết hợp nhiều nguồn dữ liệu là một trong những cách hiệu quả nhất để nâng cao độ chính xác của định vị thiết bị di động. Việc sử dụng dữ liệu từ nhiều nhà mạng khác nhau, cùng với thông tin từ các hệ thống định vị GPS, có thể tạo ra một bức tranh rõ ràng hơn về vị trí của thiết bị. Điều này không chỉ giúp cải thiện độ chính xác mà còn tăng cường khả năng phản ứng của các lực lượng an ninh trong các tình huống khẩn cấp. Theo nghiên cứu, việc áp dụng các phương pháp này đã giúp giảm thiểu sai số trong định vị xuống mức tối thiểu, từ đó nâng cao hiệu quả trong công tác quản lý và bảo vệ an ninh.

III. Ứng dụng thực tiễn của định vị trong an ninh

Ứng dụng của định vị thiết bị di động 4G trong an ninh rất đa dạng. Từ việc theo dõi vị trí của các đối tượng nghi ngờ đến việc hỗ trợ trong các hoạt động cứu hộ, công nghệ này đã chứng minh được giá trị thực tiễn của nó. Các cơ quan chức năng có thể sử dụng giải pháp an ninh này để giám sát các khu vực nhạy cảm, từ đó phát hiện và ngăn chặn các hành vi phạm tội. Hơn nữa, việc sử dụng công nghệ 4G trong định vị cũng giúp cải thiện khả năng giao tiếp giữa các lực lượng an ninh, từ đó nâng cao hiệu quả trong công tác phối hợp.

3.1. Tình huống khẩn cấp và cứu hộ

Trong các tình huống khẩn cấp, việc xác định vị trí chính xác của nạn nhân là rất quan trọng. Giải pháp định vị giúp các lực lượng cứu hộ nhanh chóng tìm ra vị trí của người gặp nạn, từ đó đưa ra các biện pháp ứng phó kịp thời. Việc sử dụng công nghệ 4G trong các hoạt động cứu hộ đã giúp rút ngắn thời gian phản ứng, từ đó cứu sống nhiều mạng người. Theo thống kê, các vụ cứu hộ sử dụng công nghệ định vị hiện đại có tỷ lệ thành công cao hơn đáng kể so với các phương pháp truyền thống.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 trình bày các vấn đề chủ yếu sau đây: - Những định nghĩa, khái niệm chủ yếu liên quan đến đề tài luận án; ý nghĩa và tầm quan trọng của vấn đề cần nghiên cứu; 7 - Phân tích, đánh giá các nghiên cứu trước đây về định vị di động nói chung và định vị thiết bị di động 4G ứng dụng cho công tác an ninh nói riêng; xác định những tồn tại, hạn chế, khó khăn thách thức của vấn đề này và hướng giải quyết. - Nghiên cứu tổng quan về các nguyên lý kỹ thuật định vị di động; - Xác định yêu cầu về một số kỹ thuật liên quan (cải thiện độ chính xác định vị, phân lớp định vị, bảo mật, trạm gốc giả lập). Giải pháp kỹ thuật nâng cao hiệu quả định vị thiết bị di động. Trên cơ sở các vấn đề tổng quan đã được nghiên cứu ở Chương 1, Chương 2 phân tích, đề xuất giải pháp kỹ thuật định vị trên cơ sở kết hợp đa dạng nguồn dữ liệu, cải thiện độ chính xác một số kỹ thuật định vị nhằm nâng cao hiệu quả định vị thiết bị di động, đáp ứng các yêu cầu đặt ra.

Mô hình hệ thống kỹ thuật định vị thiết bị di động và ứng dụng cho công tác an ninh. Nội dung Chương 3 trình bày sử dụng kết quả nghiên cứu giải pháp kỹ thuật ở Chương 2 để xây dựng mô hình tổng thể hệ thống kỹ thuật định vị thiết bị di động trên cơ sở sử dụng phân lớp định vị, bảo mật và trạm gốc giả lập ứng dụng cho công tác an ninh. Nội dung Chương 4 trình bày các kịch bản, kết quả và đánh giá một số thực nghiệm để minh chứng giải pháp kỹ thuật, mô hình hệ thống đã nghiên cứu, đề xuất. - Kết luận - Hướng nghiên cứu, phát triển luận án.

- Danh mục các công trình nghiên cứu liên quan đến đề tài luận án đã công bố. - Danh mục tài liệu tham khảo. - Phụ lục: Nội dung các công trình nghiên cứu liên quan đến đề tài luận án đã công bố. TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH VỊ DI ĐỘNG 1.

Khái quát về định vị di động và các ứng dụng của định vị Theo vết (định vị) di động là việc xác định vị trí hoặc địa điểm của một máy điện thoại di động (hoặc một thiết bị di động) khi nó cố định hoặc di chuyển. Việc định vị điện thoại di động có thể được tính toán thông qua kỹ thuật đo đa sóng (tức đo khoảng cách khác nhau giữa một vài cột sóng di động của mạng với máy điện thoại di động trên cơ sở các tín hiệu sóng vô tuyến của nó) hoặc đơn giản hơn là qua vị trí GPS. Để xác định vị trí của điện thoại di động bằng kỹ thuật đo đa sóng, điện thoại phải phát ít nhất một tín hiệu chuyển vùng để liên hệ với cột sóng lân cận gần nhất nhưng không yêu cầu kích hoạt cuộc gọi. Nguyên lý kỹ thuật để xác định vị trí một điện thoại di động thường dựa trên các nền tảng sau đây [23, 24, 26, 32, 33]: - Trên cơ sở mạng; - Trên cơ sở máy cầm tay; - Trên nền tảng của SIM di động; - Theo vị trí của điểm cung cấp Wifi; - Trên cơ sở kỹ thuật định vị lai ghép.

Đối với mỗi thế hệ mạng di động và tính chất của thiết bị di động, về nguyên lý, sẽ sử dụng kỹ thuật định vị tương ứng hoặc lai ghép các kỹ thuật trên với nhau. Hiện nay, khi mạng di động 4G phổ biến, một thiết bị đầu cuối 4G có thể hoạt động được ở nhiều chế độ khác nhau, và bài toán định vị thiết bị di động đó cũng sẽ khác nhau đối với từng thiết lập hoạt động. Đồng thời, mỗi ứng dụng của việc định vị thiết bị di động 4G cho nhà mạng, nhà cung cấp dịch vụ giá trị gia tăng, doanh nghiệp, các cơ quan quản lý Nhà nước, cứu hộ cứu nạn, an ninh công cộng cũng sẽ khác nhau. Những ứng dụng điển hình của định vị di động có thể kể đến: - Đối với nhà cung cấp dịch vụ di động, Internet và mạng xã hội, một trong những kỹ thuật và yêu cầu cơ bản là cần biết đối tượng sử dụng dịch vụ/thuê bao hay thiết bị di động đang ở đâu để kết nối và cung cấp dịch vụ.

Một ví dụ khác điển hình, 9 hữu dụng nhất hiện nay chính là dịch vụ dựa trên vị trí LBS như dẫn đường, tìm đường của Google Map, Viet Map. - Đối với các doanh nghiệp kinh doanh, đặc biệt trong kỷ nguyên kỹ thuật số, thời đại Cách mạng Công nghiệp 4.0, quá trình chuyển đổi số hiện nay, nếu biết khách hàng, đối tượng phục vụ của mình đang ở đâu thì đã nắm chắc được một phần cơ hội kinh doanh. Đối với các doanh nghiệp đặc thù như giao thông vận tải, logistics, thương mại điện tử, bưu chính công nghệ mới…nếu biết khách hàng, phương tiện, hàng hoá của mình đang ở đâu là sẽ giải quyết được bài toán quản lý, điều phối một cách hiệu quả. - Đối với các cơ quan quản lý Nhà nước, tìm kiếm cứu hộ cứu nạn, phòng chống thiên tai, y tế, phòng chống dịch bệnh, một yêu cầu quan trọng nhất thường thấy là lực lượng cứu hộ, cứu nạn cần biết một người bị mất tích, bị nạn đang ở đâu.

Nếu chúng ta nhận định người đó có mang theo một thiết bị di động thì việc tìm kiếm sẽ hiệu quả, nhanh chóng hơn nhiều khi định vị được máy di động đó. Ví dụ điển hình trên thế giới chính là dịch vụ cứu hộ khẩn cấp 911 (hay E911) của Mỹ và Canada. Khi nhận được một cuộc gọi điện thoại khẩn cấp, hệ thống E911 sẽ tự động tính toán và xác định cho nhà chức trách biết vị trí của người gọi, để họ cử lực lượng hỗ trợ đến đó. Theo thống kê, E911 phục vụ được đến 96% lãnh thổ Mỹ.

Như vậy, ở các nơi không có máy điện thoại cố định thì phải dùng định vị di động (tức là đa phần người gọi khẩn cấp gọi bằng máy di động). - Đối với an ninh công cộng, một trong những yêu cầu thường xuyên và quan trọng nhất là cần biết một đối tượng, mục tiêu đang ở đâu, đi đâu. Có nhiều cách để biết các thông tin trên, tuy nhiên, chúng ta có thể thấy bằng cách định vị, theo vết một số thuê bao, một máy điện thoại di động mà đối tượng đó sử dụng hoặc mang theo là hiệu quả. Những ứng dụng trên được tổng hợp từ các tài liệu tham khảo về kỹ thuật định vị di động, thông tin khoa học và thực tế.

Trên phương diện ứng dụng tổng quát, bài toán định vị di động hiện nay có thể phân chia làm các dạng sau: 10 - Một là dạng chủ động như đối với nhà cung cấp dịch vụ di động, họ có số liệu và sẽ tự tính toán để biết được vị trí của thuê bao, máy di động mà họ cần kết nối và cung cấp dịch vụ. - Hai là dạng bị động như đối với doanh nghiệp kinh doanh, đơn giản họ chỉ cần có được vị trí GPS (nằm trong máy điện thoại) của khách hàng, đối tượng đang phục vụ và “hỏi” nhà mạng di động rằng vị trí ở đâu. Hoặc chính nhà mạng sẽ cung cấp dịch vụ vị trí đó cho doanh nghiệp. - Ba là dạng bán chủ động như đối với cơ quan cứu hộ khẩn cấp như E911, đơn giản là họ có hệ thống kỹ thuật kết nối với các nhà mạng, và sử dụng hệ thống tự động nhận dạng vị trí (ALI) xác định vị trí người gọi và định vị nó trên bản đồ số.

- Bốn là, dạng hỗn hợp như đối với an ninh công cộng, do đặc điểm kỹ thuật định vị di động và tính chất sử dụng đa dạng, để xác định được vị trí của một đối tượng, mục tiêu hay một thiết bị di động, họ phải dùng nhiều phương pháp, cả chủ động, bị động, bán chủ động nêu trên hoặc kết hợp nhiều phương pháp cùng lúc. Những giả thuyết, lý giải trước đây về định vị di động và ứng dụng cho công tác an ninh 1. Cơ sở lý thuyết liên quan Cơ sở lý thuyết, nguyên lý kỹ thuật liên quan đến nội dung đề tài luận án cần nghiên cứu như sau: (1) Nguyên lý kỹ thuật định vị di động. (2) Lý thuyết phân lớp, xác định đối tượng; các phương pháp thu thập dữ liệu định vị; giải pháp cải thiện độ chính xác định vị; phương pháp bảo mật thông tin chuyển giao kết quả định vị; kỹ thuật giả lập trạm gốc thu thập tham số IMSI/IMEI.

Trong đó, các nguyên lý kỹ thuật định vị di động được trình bày cụ thể sau đây để làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo của luận án. Các cơ sở khoa học và kỹ thuật liên quan khác sẽ được trình bày trong các chương sau. Nguyên lý kỹ thuật định vị di động 1. Khái quát Định vị di động có thể thực hiện bởi một số nguyên lý kỹ thuật, chẳng hạn như kỹ thuật tìm điểm giao thoa tín hiệu vô tuyến giữa (một số) tháp thu phát sóng di động của mạng và máy điện thoại hoặc đơn giản bằng cách sử dụng dữ liệu của hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu GNSS [23].

Để định vị điện thoại di động bằng cách tìm điểm giao thoa tín hiệu vô tuyến di động, điện thoại đó phải phát ra ít nhất tín hiệu nhàn rỗi (tín hiệu chờ - Idle) để liên lạc với các cột ăng ten gần đó và không yêu cầu kích hoạt một cuộc gọi. Hệ thống điện thoại di động toàn cầu GSM thực hiện kết nối điện thoại di động với mạng dựa trên cường độ tín hiệu của điện thoại tới các cột ăng ten gần đó [26]. Kỹ thuật định vị có thể được sử dụng cho các dịch vụ dựa trên vị trí (LBS) [30, 31] và khi đó sẽ tiết lộ tọa độ thực của điện thoại di động. Các công ty viễn thông di động sử dụng kỹ thuật này để xác định vị trí gần đúng của điện thoại di động và cả người dùng của nó.

Tổng quan các nguyên lý kỹ thuật định vị di động Vị trí của thiết bị di động (điện thoại di động) có thể được xác định theo các nguyên lý kỹ thuật cụ thể sau đây [23 -33]: a. Kỹ thuật định vị dựa trên mạng (Network-Based) Vị trí của điện thoại di động có thể được xác định trên cơ sở hạ tầng mạng của nhà cung cấp dịch vụ. Ưu điểm của các kỹ thuật dựa trên mạng là chúng có thể được thực hiện mà không ảnh hưởng đến thiết bị cầm tay (tức không xâm phạm/ảnh hưởng đến người dùng).